(57)【要約】      （修正有）【課題】急激な負荷変動による耐久性低下を抑制することのできる燃料電池システムとその制御方法を提供する。【解決手段】  ガス供給を受けて発電を行う燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの制御方法において、負荷要求に応じて燃料電池スタックの負荷電流を第１電流値ｊ１から第２電流値ｊ２に変化させる場合に、負荷電流値およびガス流量値をステップ的に増加または減少させ、このときの負荷電流値及びガス流量値の各ステップ変動率Δｊ／ｊ、ΔＱair(j)／Ｑair(j)、ΔＱfuel(j)／Ｑfuel(j)が１０％以下となるように制御する。【選択図】  図３
2006286407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムの制御方法において、
負荷要求に応じて前記燃料電池の負荷電流を第１電流値から第２電流値に変化させる場合に、前記燃料電池の負荷電流及び前記燃料電池に供給するガス流量の変動率が所定値以下となるように、前記負荷電流および前記ガス流量をステップ的に増加または減少させる、燃料電池システムの制御方法。
【請求項２】
前記負荷電流及び前記ガス流量の変動率を１０％以下とする、請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項３】
ガス供給を受けて発電を行う燃料電池と、負荷要求に応じて前記燃料電池の発電状態を制御する制御装置と、前記燃料電池の負荷電流を検出する負荷電流検出部と、前記燃料電池に供給するガス流量を検出するガス流量検出部と、前記負荷電流を制御する負荷電流制御手段と、前記ガス流量を制御するガス流量制御手段とを備えた燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記負荷要求に対応する前記燃料電池の要求負荷電流値及び前記燃料電池に対する要求ガス流量値を求めるとともに、
前記負荷電流制御手段を制御することにより、前記負荷電流検出部で検出された現状負荷電流値から前記要求負荷電流値に向かう変動率が所定値以下となるように、前記燃料電池の負荷電流をステップ的に増加または減少させる一方、
前記ガス流量制御手段を制御することにより、前記ガス流量検出部で検出された現状ガス流量値から前記要求ガス流量値に向かう変動率が所定値以下となるように、前記燃料電池に供給するガス流量をステップ的に増加または減少させる、燃料電池システム。
【請求項４】
前記負荷電流及び前記ガス流量の変動率が１０％以下である、請求項３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムとその制御方法に関し、特に、急激な負荷変動に対する燃料電池の耐久性低下の抑制に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス供給を受けて発電を行う燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいては、負荷変動が起きている運転モードで特に顕著にスタックの性能劣化が発生することがわかっている。負荷変動による性能劣化が起きる原因の一つは、負荷変動に際してのスタック電流の変化、それに連動する空気流量、燃料流量の変化が急激に生じ、燃料電池スタックのセル内に設けられた膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）内の含水状態が乱れることにあると考えられる。例えば特許文献１には、負荷変動に伴う供給ガス流量の設定方法が開示されている。
【特許文献１】特開平９−１４７８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
急激な負荷変動時に、ＭＥＡ内の含水状態の乱れ、すなわち、ＭＥＡ内に水分不足または水分過剰な状態が生じたときに、水分不足による電解質膜の乾き、または水分過剰による拡散層、触媒層内の水詰まりがＭＥＡ内の電流集中を引き起こす。これによってガスのクロスオーバー量が増え、空気極の異常電位の発生、電流集中による熱スポットの発生が予想される。
【０００４】
この結果、燃料電池触媒層、電解質膜の劣化が発生し、触媒Ｐｔの凝集、溶出、担体カーボンの酸化が起こる。上記特許文献１に開示のガス流量の制御方法では、急激な負荷変動に伴い供給ガス流量も急激に変化してしまうため、ＭＥＡの湿潤状態が悪化し、燃料電池の耐久性低下を招く虞がある。一方、ＭＥＡの含水状態は、負荷変動に応じて変化するため、一定に保つには煩雑な制御が必要となる。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、急激な負荷変動による耐久性低下を抑制することができる燃料電池システムとその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明においては、上記の課題を解決するために以下の手段を採用した。すなわち、本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、ガス供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムの制御方法において、負荷要求に応じて前記燃料電池の負荷電流を第１電流値から第２電流値に変化させる場合に、前記燃料電池の負荷電流及び前記燃料電池に供給するガス流量の変動率が所定値以下となるように、前記負荷電流および前記ガス流量をステップ的に増加または減少させる。
【０００７】
また、本発明の燃料電池システムは、ガス供給を受けて発電を行う燃料電池と、負荷要求に応じて前記燃料電池の発電状態を制御する制御装置と、前記燃料電池の負荷電流を検出する負荷電流検出部と、前記燃料電池に供給するガス流量を検出するガス流量検出部と、前記負荷電流を制御する負荷電流制御手段と、前記ガス流量を制御するガス流量制御手段とを備えた燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記負荷要求に対応する前記燃料電池の要求負荷電流値及び前記燃料電池に対する要求ガス流量値を求めるとともに、前記負荷電流制御手段を制御することにより、前記負荷電流検出部で検出された現状負荷電流値から前記要求負荷電流値に向かう変動率が所定値以下となるように、前記燃料電池の負荷電流をステップ的に増加または減少させる一方、前記ガス流量制御手段を制御することにより、前記ガス流量検出部で検出された現状ガス流量値から前記要求ガス流量値に向かう変動率が所定値以下となるように、前記燃料電池に供給するガス流量をステップ的に増加または減少させる。
【０００８】
燃料電池の負荷電流やガス流量の変動率が所定値を超えて大きく増減すると、セル内での相対湿度ひいてはセル面内の含水状態が大きく変動し、これに起因して上記課題の欄に記載した様々な問題を引き起こすところ、上記の構成からなる燃料電池システムとその制御方法によれば、負荷電流とガス流量を増減させる際の変動率（変動幅）を所定値以下に抑えることで、煩雑な制御を行わずとも、急激な負荷変動に対するセル面内での含水状態の変化を抑制することができる。
【０００９】
本発明の燃料電池システムとその制御方法においては、前記負荷電流及び前記ガス流量の変動率を、現状電流値及び現状ガス流量値の１０％以下、より好ましくは５％以下に設定することができる。
【００１０】
本発明の発明者は、急激な負荷変動に対するセル面内での含水状態の変化をいかにして抑制するかについて鋭意研究を進めてきた結果、セル内での相対湿度が５％よりも大きく変動すると、セル面内の含水状態が大きく変動すること、及び相対湿度の変動を５％以下に抑えるには、燃料電池の負荷電流及びガス流量の変動率を１０％以下に抑えればよいことを見出した。したがって、上記の構成からなる燃料電池システムとその制御方法によれば、急激な負荷変動に対するセル面内の含水状態の変化をより確実に抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池の負荷電流およびガス流量をステップ的に変動（増減）させ、かつ各ステップの変動率（変動幅）を所定値以下に抑えることで、急激な負荷変動に対してもセル面内の含水状態の変化を抑制することができる。したがって、水分不足による電解質膜の乾き、または水分過剰による拡散層、触媒層内の水詰まりを抑え、燃料電池の耐久性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明に係る燃料電池システムとその制御方法の一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムとその制御方法を燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００１３】
図１は本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示しており、酸化ガス（供給ガス）としての空気は、空気供給路７１を介して燃料電池スタック２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。
【００１４】
コンプレッサＡ３は、モータ（補機）によって駆動される。このモータは、後述の制御装置５０によって駆動制御される。なお、エアフィルタＡ１には空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられる。
【００１５】
燃料電池スタック２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１の熱交換器が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池スタック２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁（減圧弁）Ａ４は、燃料電池スタック２０への供給空気の圧力（空気圧）を設定する調圧器として機能する。
【００１６】
圧力センサＰ４，Ｐ１の図示しない検出信号は、制御装置５０に送られる。制御装置５０は、コンプレッサＡ３及び圧力調整弁Ａ４を調整することによって、燃料電池スタック（燃料電池）２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００１７】
燃料ガス（供給ガス）としての水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路７４を介して燃料電池スタック２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
【００１８】
燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池スタック２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池スタック２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池スタック２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。
【００１９】
水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用することが可能であるが、これに限らず、パルスモータで弁の開度がリニア（あるいは連続的）に調整される弁であっても良い。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９の図示しない検出信号は、制御装置５０に供給される。
【００２０】
燃料電池スタック２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池スタック２０と循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０及び逆流阻止弁Ｈ５２が設けられている。
【００２１】
遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は燃料電池のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御装置５０に供給される。水素ポンプＨ５０は、制御装置５０によって動作が制御される。
【００２２】
水素オフガスは燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池スタック２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁Ｈ５２は、燃料供給路７４の水素ガスが水素循環路７５側に逆流することを防止する。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御装置５０からの信号で駆動される。
【００２３】
水素循環路７５は排出制御弁（パージ弁）Ｈ５１を介してパージ流路７６によって排気路７２に接続される。排出制御弁Ｈ５１は電磁式の遮断弁であり、制御装置５０からの指令によって作動することにより水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。
【００２４】
更に、燃料電池スタック２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられる。冷却路７３には、燃料電池スタック２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池スタック２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
【００２５】
燃料電池スタック２０は燃料電池セル（単位セル）が所要数積層されたものであり、燃料電池スタック２０が発生した電力は図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池への充電や二次電池からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなど備えている。
【００２６】
制御装置５０は、図示しない車両のアクセル信号などの負荷要求や燃料電池システムの各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。制御装置５０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。制御コンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース、及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成される。
【００２７】
制御装置５０と接続されたセンサ類,弁類等の装置群のうち、本実施形態の制御に関係する構成について図２に示した。同図のように、燃料電池スタック２０の負荷電流を検出する負荷電流検出部２と、燃料電池スタック２０の空気供給量を検出する空気流量検出部（ガス流量検出部）３と、水素ガス供給量を検出する燃料流量検出部（ガス流量検出部）４と、燃料電池スタック２０の負荷電流を制御する負荷電流制御手段５と、燃料電池スタック２０に対する空気供給量を制御する空気流量制御手段（ガス流量制御手段）６と、燃料電池スタック２０に対する水素ガス供給量を制御する燃料流量制御手段（ガス流量制御手段）７が設けられている。
【００２８】
負荷電流検出部２は例えば電流センサにより構成され、空気流量検出部３は例えば上記エアフローメータにより構成されている。また、空気流量制御手段６は図１におけるコンプレッサＡ３及び圧力調整弁Ａ４により構成され、燃料流量制御手段７は同図における水素調圧弁Ｈ９及び水素ポンプＨ５０により構成される。また、負荷電流制御手段５は、上記パワーコントロールユニットのインバータにより構成される。
【００２９】
制御装置５０は、後述するように、アクセル信号などの負荷要求に応じて、上記二次電池との間の充放電を考慮した燃料電池スタック２０への要求出力電力を求め、更にこの要求出力電力に相当する要求負荷電流値及び要求ガス流量値を求め、これらの要求値に基づいて、負荷電流制御手段５を制御することにより、燃料電池スタック２０の負荷電流をステップ的に増加または減少させる一方、空気流量制御手段６及び燃料流量制御手段７を制御することにより、燃料電池スタック２０に対するガス流量（水素ガス流量及び空気流量）を、ステップ的に増加または減少させる。
【００３０】
以下に、負荷要求が変動した場合に行われる、制御装置５０による負荷電流及びガス流量の制御内容について、詳細に説明する。
（１）負荷電流を引き上げる場合
燃料電池スタック２０の負荷電流をｊ１（第１電流値）からｊ２（第２電流値）（ｊ２＞ｊ１）に引き上げていく場合は、後述のフロー（図４）で示すように、ガス流量および負荷電流をステップ的に増加させる。このとき、空気流量のステップ変動率s/air、水素ガス流量のステップ変動率s/fuel、及び負荷電流のステップ変動率s/currentをいずれも１０％以下に抑えるようにする。
【００３１】
これらのステップ変動率は、式［１］〜［３］で定義される。これらの式中、ｊは負荷電流値，Ｑair(j)は空気流量値，Ｑfuel(j)は水素ガス流量値であり、また、Δｊは負荷電流値のステップ変動幅，ΔＱair(j)は空気流量値のステップ変動幅，ΔＱfuel(j)は水素ガス流量値のステップ変動幅である。
【００３２】
【数１】
2006286407.tif 000003
【００３３】
【数２】
2006286407.tif 000004
【００３４】
【数３】
2006286407.tif 000005
空気流量，水素ガス流量，及び負荷電流の各ステップ変動率s/air，s/fuel，s/currentを１０％以下に抑える理由は、以下の通りである。すなわち、信頼性や耐久性等の理由から、水素ガス及び空気の加湿量が一定であるとした場合に、例えば燃料電池スタック２０に供給される空気流量が１０％増減すると、セル内での相対湿度は約５％変化する。セル内での相対湿度が５％よりも大きく変動すると、セル面内の含水状態が大きく変動してしまい、上記問題を引き起こす。
【００３５】
したがって、負荷要求の変動に伴う水素ガスおよび空気のガス流量の変動がセル面内の水分布に与える影響を抑えるため、水素ガス流量、空気流量、及び負荷電流の変動率を好ましくは１０％以下に抑えることにより、急激な負荷変動に対してもセル面内の含水状態の変化を抑制することができる、との理由による。これら変動率は、５％以下に抑えることが好ましい。
【００３６】
このようなステップ変動率s/air，s/fuel，s/currentを導入したことにより、ガス流量および負荷電流は、図３に示したように、段階的（ステップ的）に増加する。なお、図３においては、空気流量値Ｑair(j)のみ図示したが、水素ガス流量値Ｑfuel(j)についても同様に変化する。
【００３７】
次に、制御部５０による負荷電流引き上げ時における負荷電流及びガス流量の制御動作について説明する。制御部５０は、図示しない主制御プログラムにおいて、所定周期毎に、又は上記制御動作を指令する命令の発令あるいはフラグが設定された（イベント発生）ことを判別すると、図４に示されるプログラムを実行する。
【００３８】
まず、ステップＳＴ１では、アクセル信号等の負荷要求に対応する燃料電池スタック２０の要求出力電力を求め、この要求出力電力と当該燃料電池スタック２０のＩ-Ｐ特性とから燃料電池スタック２０の要求負荷電流値（第２電流値）ｊ２を求める。続くステップＳＴ２では、現状負荷電流値（第１電流値）ｊ１並びに現状水素ガス流量値Ｑfuel(j1)及び現状空気流量値Ｑair(j1)を負荷電流検出部２並びに空気流量検出部３及び燃料流量検出部４より検出する。
【００３９】
次いで、ステップＳＴ３においては、まず、現状空気流量値Ｑair(j1)に対するステップ増加後の空気流量値のステップ変動率s/airが１０％以下となるような空気流量値Ｑair(j)を求める。つまり、式［１］において、ΔＱair(j)＝空気流量値Ｑair(j)−現状空気流量値Ｑair(j1)、Ｑair(j)＝現状空気流量値Ｑair(j1)としたときに、式［１］の不等式を満たす空気流量値Ｑair(j)を求める。本実施形態では、ステップ変動率s/airが１０％となる空気流量値Ｑair(j)をステップ増加後の空気流量値に決定する。
【００４０】
同様に、現状水素ガス流量値Ｑfuel(j1)に対するステップ増加後の水素ガス流量値のステップ変動率s/fuelが１０％以下となるような水素ガス流量値Ｑfuel(j)を求める。つまり、式［２］において、ΔＱfuel(j)＝水素ガス流量値Ｑfuel(j)−現状水素ガス流量値Ｑfuel(j1)、Ｑfuel(j)＝現状水素ガス流量値Ｑfuel(j1)としたときに、式［２］の不等式を満たす水素ガス流量値Ｑfuel(j)を求める。本実施形態では、ステップ変動率s/fuelが１０％となる水素ガス流量値Ｑfuel(j)をステップ増加後の水素ガス流量値に決定する。
【００４１】
そして、ステップＳＴ４において、燃料電池スタック２０に供給する空気流量値及び水素ガス流量値がステップＳＴ３で決定した空気流量値Ｑair(j)及び水素ガス流量値Ｑfuel(j)となるように、空気流量制御手段６及び燃料流量制御手段７を制御して燃料電池スタック２０への供給ガス流量を調整する。
【００４２】
さらに、ステップＳＴ５においては、ガス利用率一定の条件下、上記ステップＳＴ３で決定した空気流量値Ｑair(j)及び水素ガス流量値Ｑfuel(j)に見合う負荷電流値ｊを決定する。このとき、式［３］において、Δｊ＝負荷電流値ｊ−現状負荷電流値ｊ１、ｊ＝現状負荷電流値ｊ１としたときに、式［３］の不等式を満たすことが条件となる。
【００４３】
そして、ステップＳＴ６において、燃料電池スタック２０の負荷電流がステップＳＴ５で決定した負荷電流値ｊとなるように、負荷電流制御手段５を制御して燃料電池スタック２０の負荷電流を調整する。
【００４４】
なお、図４の制御フローにおいては、ステップＳＴ３でガス流量値を決定し、ステップＳＴ４でガス流量を一つステップ増加させてから、ステップＳＴ５，６で負荷電流値を一つステップ増加させる処理を行っているが、これらステップＳＴ５，６の処理は、空気流量検出部３及び燃料流量検出部４による空気流量及び水素ガス流量の実測値がステップＳＴ３で決定した各ガス流量値になったことを確認してから行われる。
【００４５】
その結果、図３に示すように、符号Ａで示したガス流量のステップ増加の後に続いて、これに対応して符号Ｂで示した負荷電流のステップ増加が行われることになる。
【００４６】
次いで、ステップＳＴ７において、ステップＳＴ１で求めた要求負荷電流値ｊ２と、ステップＳＴ５，６によるステップ増加後の負荷電流値ｊとを比較し、少なくともｊ＝ｊ２となるまで、つまり、ステップ増加後の負荷電流値ｊが要求負荷電流値ｊ２に達するまで、ステップＳＴ２以降の処理を繰り返す。そして、ｊ＝ｊ２となった場合、つまり、ステップ増加後の負荷電流値ｊが要求負荷電流値ｊ２に達したら、本制御フローの処理を終了する。
（２）負荷電流を引き下げる場合
燃料電池スタック２０の負荷電流をｊ１（第１電流値）からｊ２（第２電流値）（ｊ２＜ｊ１）に引き下げていく場合は、後述のフロー（図６）で示すように、負荷電流およびガス流量をステップ的に減少させる。このときも、空気流量のステップ変動率s/air、水素ガス流量のステップ変動率s/fuel、及び負荷電流のステップ変動率s/currentをいずれも１０％以下に抑えるようにする。これらのステップ変動率についても、上述の式［１］〜［３］で定義される。
【００４７】
このようなステップ変動率s/air，s/fuel，s/currentを導入したことにより、負荷電流およびガス流量は、図５に示したように、段階的（ステップ的）に減少する。なお、図５においては、空気流量値Ｑair(j)のみ図示したが、水素ガス流量値Ｑfuel(j)についても同様に変化する。
【００４８】
次に、制御部５０による負荷電流引き下げ時における負荷電流及びガス流量の制御動作について説明する。制御部５０は、図示しない主制御プログラムにおいて、所定周期毎に、又は上記制御動作を指令する命令の発令あるいはフラグが設定された（イベント発生）ことを判別すると、図６に示されるプログラムを実行する。
【００４９】
まず、ステップＳＴ１１では、アクセル信号等の負荷要求に対応する燃料電池スタック２０の要求出力電力を求め、この要求出力電力と当該燃料電池スタック２０のＩ-Ｐ特性とから燃料電池スタック２０の要求負荷電流値（第２電流値）ｊ２を求める。続くステップＳＴ１２では、現状負荷電流値（第１電流値）ｊ１並びに現状水素ガス流量値Ｑfuel(j1)及び現状空気流量値Ｑair(j1)を負荷電流検出部２並びに空気流量検出部３及び燃料流量検出部４より検出する。
【００５０】
次いで、ステップＳＴ１３においては、現状負荷電流値ｊ１に対するステップ増加後の負荷電流値のステップ変動率s/currentが１０％以下となるような負荷電流値ｊを求める。つまり、式［３］において、Δｊ＝負荷電流値ｊ−現状負荷電流値ｊ１、ｊ＝現状負荷電流値ｊ１としたときに、式［３］の不等式を満たす負荷電流値ｊを求める。本実施形態では、ステップ変動率s/currentが１０％となる負荷電流値ｊをステップ増加後の負荷電流値に決定する。
【００５１】
次いで、ステップＳＴ１４において、燃料電池スタック２０の負荷電流がステップＳＴ１３で決定した負荷電流値ｊとなるように、負荷電流制御手段５を制御して燃料電池スタック２０の負荷電流を調整する。
【００５２】
そして、ステップＳＴ１５においては、ガス利用率一定の条件下、上記ステップＳＴ１３で決定した負荷電流値ｊに対応する空気流量値Ｑair(j)及び水素ガス流量値Ｑfuel(j)を決定する。このとき、式［１］においては、ΔＱair(j)＝空気流量値Ｑair(j)−現状空気流量値Ｑair(j1)、Ｑair(j)＝現状空気流量値Ｑair(j1)としたときに、式［１］の不等式を満たし、式［２］においては、ΔＱfuel(j)＝水素ガス流量値Ｑfuel(j)−現状水素ガス流量値Ｑfuel(j1)、Ｑfuel(j)＝現状水素ガス流量値Ｑfuel(j1)としたときに、式［２］の不等式を満たすことが条件となる。
【００５３】
そして、ステップＳＴ１６において、燃料電池スタック２０に供給する空気流量値及び水素ガス流量値がステップＳＴ１５で決定した空気流量値Ｑair(j)及び水素ガス流量値Ｑfuel(j)となるように、空気流量制御手段６及び燃料流量制御手段７を制御して燃料電池スタック２０への供給ガス流量を調整する。
【００５４】
このように、負荷電流を引き下げる場合には、ステップＳＴ１３で負荷電流値を決定し、ステップＳＴ１４で負荷電流を一つステップ減少させてから、ステップＳＴ１５，１６で空気流量及び水素ガス流量を一つステップ減少させる処理を行っているが、これらステップＳＴ１５，１６の処理は、負荷電流検出部２による負荷電流の実測値がステップＳＴ１３で決定した負荷電流値になったことを確認してから行われる。
【００５５】
その結果、図５に示すように、符号Ｃで示した負荷電流のステップ減少の後に続いて、これに対応して符号Ｄで示したガス流量のステップ減少が行われることになる。
【００５６】
次いで、ステップＳＴ１７において、ステップＳＴ１１で求めた要求負荷電流値ｊ２と、ステップＳＴ１３，１４によるステップ減少後の負荷電流値ｊとを比較し、少なくともｊ＝ｊ２となるまで、つまり、ステップ減少後の負荷電流値ｊが要求負荷電流値ｊ２に達するまで、ステップＳＴ１２以降の処理を繰り返す。そして、ｊ＝ｊ２となった場合、つまり、ステップ減少後の負荷電流値ｊが要求負荷電流値ｊ２に達したら、本制御フローの処理を終了する。
【００５７】
以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池システムとその制御方法によれば、燃料電池スタック２０の負荷電流およびガス流量をステップ的に変動（増減）させ、かつ各ステップ変動率s/air，s/fuel，s/currentを１０％以下に抑えることで、セル面内での含水状態の変動が抑制される。したがって、水分不足による電解質膜の乾き、または水分過剰による拡散層、触媒層内の水詰まりを抑え、燃料電池の耐久性能を向上させることができる。
＜他の実施形態＞
上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、負荷電流及びガス流量の各ステップ変動率が１０％以下であれば、上記実施形態のようにステップ変動率Δｊ／ｊ，ΔＱair(j)／Ｑair(j)，ΔＱfuel(j) ／Ｑfuel(j)を終始一定にする、言い換えれば、ステップ変動幅Δｊ，ΔＱair(j)，ΔＱfuel(j)が変化する構成でもよいし、ステップ変動幅Δｊ，ΔＱair(j)，ΔＱfuel(j)を終始一定にする、言い換えれば、ステップ変動率Δｊ／ｊ，ΔＱair(j)／Ｑair(j)，ΔＱfuel(j) ／Ｑfuel(j)が変化する構成でもよい。
【００５８】
また、セル面内での含水状態を抑制するためには、図３及び図５における一のステップ変動を実施してから次のステップ変動を実施するまでの時間間隔（以下、Ｗ）も重要と考えることができるので、Δｊ／Ｗ，ΔＱair(j)／Ｗ，ΔＱfuel(j) ／Ｗで表現されるステップ変動の傾斜をも加味して負荷電流制御及びガス流量制御を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を概略的に示した構成図である。
【図２】図１に示す制御装置と接続されたセンサ類,弁類等の装置群のうち、本実施形態に係る制御方法に関係する構成を示したブロック図である。
【図３】負荷電流を引き上げる際の変動率について示した図である。
【図４】負荷電流を引き上げる際の制御フローである。
【図５】負荷電流を引き下げる際の変動率について示した図である。
【図６】負荷電流を引き下げる際の制御フローである。
【符号の説明】
【００６０】
２…負荷電流検出部、３…空気流量検出部（ガス流量検出部）、４…燃料流量検出部（ガス流量検出部）、５…負荷電流制御手段、６…空気流量制御手段（ガス流量制御手段）、７…燃料流量制御手段（ガス流量制御手段）、２０…燃料電池スタック、５０…制御装置、Ａ３…コンプレッサ（ガス流量制御手段）、Ａ４…圧力調整弁（ガス流量制御手段）、Ｈ９…水素調圧弁（ガス流量制御手段）、Ｈ５０…水素ポンプ（ガス流量制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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